CN114097097A - 光学传感器以及具备该光学传感器的接近传感器 - Google Patents
光学传感器以及具备该光学传感器的接近传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种光学传感器，具备：发光元件(5)，出射光；受光元件(7a～7d)，对来自发光元件(5)的出射光进行受光；第1树脂体(11)，覆盖发光元件(5)以及受光元件(7a～7d)，使来自发光元件(5)的出射光透射并出射到外部；以及第2树脂体(13)，对发光元件(5)和受光元件(7a～7d)进行密封，在第1树脂体(11)的内部包含第2树脂体(13)，第2树脂体(13)比第1树脂体(11)硬。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器以及具备该光学传感器的接近传感器。
背景技术
近年来，提出了能够搭载于机械手等并进行包含触觉在内的多种多样的感测的各种传感器。在这样的传感器中，有例如像在专利文献1记载的那样具备了触觉传感器的功能的接近传感器。
专利文献1公开了用于安装在进行物体的把持动作等的机械手的指尖面的复合型传感器。专利文献1的复合型传感器包含光透射性的可挠性板状部、配置在可挠性板状部上的受光部、从受光部的背面照射可挠性板状部的发光部、以及对受发光部进行控制的电路。在受光部上覆盖弹性体，在配置有受光部的可挠性板状部的背面侧设置有使来自发光部的光限定性地通过的那样的遮光层。
通过配置于在背面形成有狭缝的板状部的表面的受光部对从发光部出射的光通过狭缝和弹性体并照到对象物而返回的反射光量进行检测，从而能够得到作为接近传感器的功能和作为接触传感器的功能。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭60-62496号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在现有技术中，因为在受光部上存在容易变形的弹性体，因此在外力施加于传感器时，应变的影响直接施加于受光部，存在耐久性下降的问题。
本发明的目的在于，提供一种提高了耐久性的光学传感器以及接近传感器。
用于解决课题的技术方案
本发明涉及的光学传感器具备：
发光元件，出射光；
受光元件，对来自所述发光元件的出射光进行受光；
第1树脂体，覆盖所述发光元件以及所述受光元件，使来自所述发光元件的出射光透射并出射到外部；以及
第2树脂体，对所述发光元件和所述受光元件进行密封，
在所述第1树脂体的内部包含所述第2树脂体，
所述第2树脂体比所述第1树脂体硬。
本发明涉及的接近传感器具备：
光学传感器；以及
控制部，基于受光元件的信号，对物体的接近以及接触进行检测，
所述光学传感器具备：
发光元件，出射光；
所述受光元件，对来自所述发光元件的出射光进行受光；
第1树脂体，覆盖所述发光元件以及所述受光元件，使来自所述发光元件的出射光透射并出射到外部；以及
第2树脂体，对所述发光元件和所述受光元件进行密封，
在所述第1树脂体的内部包含所述第2树脂体，
所述第2树脂体比所述第1树脂体硬。
发明效果
根据本发明涉及的光学传感器，能够提供一种提高了耐久性的光学传感器以及接近传感器。
附图说明
图1是用于说明实施方式1涉及的接近传感器的概要的图。
图2A是实施方式1涉及的光学传感器的俯视图。
图2B是图2A的IIB向视纵剖视图。
图3是示出实施方式1涉及的第2树脂体的光透射率的曲线图。
图4是用于说明物体的接近的检测的图。
图5是用于说明物体的荷重的检测的图。
图6是示出在物体的接近以及接触过程中受光部受光的光量的曲线图。
图7是示出在物体的接近以及接触过程中受光部的输出的总和的曲线图。
图8是示出在物体的接近以及接触过程中受光部的输出的总和的曲线图。
图9是用于说明光学传感器的内部构造的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明涉及的光学传感器以及接近传感器的实施方式进行说明。
各实施方式为例示，能够进行在不同的实施方式中示出的结构的部分置换或组合，这是不言而喻的。关于变形例，省略关于与实施方式1共同的事项的记述，仅对不同点进行说明。特别是，关于由同样的结构带来的同样的作用效果，将不在每个实施方式中逐次提及。
(实施方式1)
在实施方式1中，作为本发明涉及的接近传感器的一个例子，对使用光学传感器通过简单的光学机构来检测物体的接近进行说明。
1.结构
参照图1～图2B对实施方式1涉及的接近传感器的结构进行说明。图1是用于说明实施方式1涉及的接近传感器1的概要的图。图2A示出光学传感器3的俯视图。图2B示出光学传感器3的纵剖视图。
如图1所示，实施方式1涉及的接近传感器1具备光学传感器3、驱动部15、放大器电路部17、以及控制部19。接近传感器1例如能够应用于在机械手中将把持的对象的各种物体作为感测的对象物的用途。
光学传感器3具备发光元件5、受光部7、基板9、第1树脂体11、以及第2树脂体13。第1树脂体11是配置为覆盖发光元件5以及受光部7的覆盖构件的一个例子。以下，在光学传感器3中，将第1树脂体11突出的方向设为“Z方向”，将与Z方向正交且相互正交的两个方向设为“X方向”以及“Y方向”。另外，将Z的正方向设为上方，将Z的负方向设为下方。
实施方式1的光学传感器3在第2树脂体13内部使发光元件5发光，并通过受光部7对透射第2树脂体13以及第1树脂体11而被物体反射的反射光进行检测，从受光部7输出与受光量相应的受光信号P1。
发光元件5例如是像面发光激光器(VCSEL)、LED那样的固体发光元件。若作为发光元件5而使用面发光激光器，则能够发出窄出射角的激光。由此，能够降低来自发光元件5的出射光不被物体反射而直接入射到受光部7的情况。其结果是，能够降低受光部7的偏移，能够提高S/N。另外，在作为发光元件5而使用LED的情况下，通过使LED具备反射器，从而能够使从LED照射的光具有指向性。发光元件5电可以是面发光激光器以及LED以外的固体发光元件。此外，光学传感器3也可以具备对来自发光元件5的光进行准直的准直透镜。
发光元件5例如发出具有近红外线区域的波长的光。在实施方式1中，从发光元件5出射的光的峰值波长例如包含于700nm至1000nm之间，在此为850nm。峰值波长包含于该范围的光能够通过Si类材料的受光元件进行受光。
受光部7对从发光元件5出射的光被物体Bt(参照图4)反射的反射光的光量进行检测。检测反射光的受光部7例如包含由光电二极管(PD)构成的受光元件。受光部7具备至少一个受光元件。在图1中，受光部7具备四个受光元件7a～7d。受光部7对光进行受光，并生成示出受光结果的受光信号P1。生成的受光信号P1被发送到放大器电路部17。受光部7并不限于光电二极管，例如也可以包含位置检测元件(PSD)或CMOS图像传感器(CIS)等各种各样的受光元件。
基板9例如为树脂基板。基板9对配置在同一平面上的发光元件5和受光部7的受光元件7a～7d进行支承。例如，在圆板状的基板9的中心配置发光元件5。受光部7的四个受光元件7a～7d配置为以发光元件5为中心而包围发光元件5，使四个受光元件之中两个为一对，使受光元件7a和7d、以及7b和7c分别配置在对角。进而，基板9对第2树脂体13和第1树脂体11进行支承，第2树脂体13对发光元件5以及受光部7进行密封，第1树脂体11覆盖第2树脂体13的侧部以及上部。因为发光元件5和受光元件7a～7d配置在同一平面上，所以能够实现光学传感器3的小型化以及低高度化。
第1树脂体11对包含发光元件5以及受光部7的第2树脂体13进行密封。第1树脂体11例如形成为旋转体形状，例如具有圆台形状。具有圆台形状的第1树脂体11配置为其中心轴与圆柱形状的第2树脂体13的中心轴一致，将第2树脂体13包含于内部而设置在基板9上。第1树脂体11由根据外部应力等外力而变形的弹性体形成。第1树脂体11例如由硅酮类或环氧类树脂形成。第1树脂体11的下表面的直径例如为0.5～50mm。第1树脂体11的上表面的直径为下表面的直径以下。第1树脂体11的厚度Th1是从基板9的上表面到发光元件5的出射光的中心轴方向上的第1树脂体11的外表面的厚度。第1树脂体11的厚度Th1例如为5mm。
第2树脂体13对配置在基板9上的发光元件5和受光部7进行密封。第2树脂体13的侧面以及上表面被第1树脂体11覆盖。第2树脂体13例如形成为旋转体形状，例如具有圆柱形状。在具有圆柱形状的第2树脂体13中，发光元件5位于其中心。第2树脂体13包含包围发光元件5的受光元件7a～7d，并设置在基板9上。第2树脂体13由包含波长滤波器的硅酮类树脂形成，该波长滤波器使比从发光元件5出射的光的峰值波长靠低波长侧的波长区域截止。作为这样的硅酮类树脂，例如，可列举在取代基具备甲基以及苯基以外的有机取代基的改性硅酮，更具体地，例如可列举信越硅酮公司制的AIR-7051A/B。第2树脂体13的直径小于第1树脂体11的下表面的直径。第2树脂体13的厚度Th2比发光元件5以及受光元件7a～7d的厚度厚。第2树脂体13的形状除了上述的形状以外，还可以是长方体、圆台形状或半球状。
图3是示出第2树脂体13的光透射率的一个例子的曲线图。通过第2树脂体13，从近紫外线区域到680nm的波长区域的光的透射率大致为零，能够大幅降低以大约380nm～780nm的可见光波长区域为主的环境光入射到受光部7的情况。关于这样的波长滤波器，例如，相对于从发光元件5出射的峰值波长的透射率，从峰值波长向短波长侧的光的透射率为10％以下。
如图3所示，第2树脂体13对从发光元件5出射的光的峰值波长也进行十几％程度的衰减。若第2树脂体13的厚度Th2小，则在从发光元件5出射的光被物体Bt反射并入射到受光部7的光路中，能够抑制第2树脂体13中的光的衰减，能够提高受光灵敏度。第2树脂体13的厚度Th2例如比厚度Th3小，厚度Th3是第1树脂体11的厚度Th1与第2树脂体13的厚度Th2之差。另外，在厚度Th3小的情况下，从发光元件5发出并被物体Bt反射的光的吸收降低，因此对于提高作为接近传感器的精度是有益的。此外，在厚度Th3大的情况下，在物体Bt与第1树脂体11接触之后由压入造成的第1树脂体11的能够变形的范围大，能够扩大物体Bt的压入量的检测范围。因此，对提高作为接触传感器的功能是有益的。在此，厚度Th2是从基板9的上表面到发光元件5的出射光的中心轴方向上的第2树脂体13的外表面的厚度。厚度Th2也可以说是由发光元件5发出的光从基板9的上表面到第1树脂体11和第2树脂体13的界面的最短距离的长度。在第2树脂体13例如为圆柱形状、圆台形状的情况下，是第2树脂体13的旋转中心轴的长度。在第2树脂体13例如为半球状的情况下，厚度Th2为半径的长度。
第2树脂体13比第1树脂体11硬。第1树脂体11的硬度例如为邵氏硬度A20～邵氏硬度A80，例如为邵氏硬度A30～邵氏硬度A50。第2树脂体13的硬度例如为邵氏硬度D40～邵氏硬度D90，例如为邵氏硬度D60～邵氏硬度D80。像这样，发光元件5以及受光部7被高硬度的第2树脂体13密封，进而其周围被比第2树脂体13柔软的第1树脂体11密封。由此，即使外力施加于光学传感器3而使第1树脂体11变形，第2树脂体13也不易变形，因此能够降低应变直接施加于发光元件5以及受光元件7a～7d的情况，能够提高耐久性、可靠性。
第2树脂体13的玻璃化转变温度Tg2可以比第1树脂体11的玻璃化转变温度Tg1高。例如，第2树脂体13的玻璃化转变温度Tg2为50℃以上。在该情况下，即使光学传感器3在高的温度环境下被使用，也能够防止第2树脂体13的变形，能够检测物体Bt的荷重。
如果第1树脂体11和第2树脂体13是同一基材(base material)，则能够使第1树脂体11和第2树脂体的密接性提高。由此，即使被施加环境负载、长期的来自物体Bt的反复荷重、过渡的荷重，也能够抑制在第1树脂体11和第2树脂体13的树脂界面发生剥离，能够实现耐久性以及可靠性优异的传感器。
第1树脂体11以及第2树脂体13例如可以均由硅酮类材料形成。进而，第1树脂体11例如由取代基全部由甲基构成的甲基硅酮(methylsilicone)或者取代基由甲基以及苯基构成的苯基硅酮(phenylsilicone)形成。第2树脂体13例如由在取代基具备甲基、苯基以外的有机取代基的改性硅酮形成。通过采用这样的第1树脂体11以及第2树脂体13，从而能够通过同一基材实现比第1树脂体11硬的第2树脂体13。另外，除了硅酮类树脂以外，也可以使用硬度不同的环氧类树脂。
驱动部15按照来自控制部19的定时信号对发光元件5供给电力而驱动发光元件5。由此，发光元件5能够以预先规定的周期进行发光。
放大器电路部17将受光部7的各受光元件7a～7d检测到的受光信号P1放大并发送到控制部19。
控制部19对来自受光部7的受光信号P1进行分析，从而检测物体Bt的接近以及荷重。此外，控制部19对发光元件5的发光周期以及受光部7的光检测周期进行控制。控制部19由CPU、微处理器或FPGA构成。另外，光学传感器3也可以作为与驱动部15、放大器电路部17以及控制部19独立的模块来提供。
2.动作
接着，以下对接近传感器1的动作进行说明。图4例示了物体Bt接近光学传感器3的状态。实施方式1的光学传感器3进行如下的接近感测，即，根据受光信号P1来感知物体Bt在第1树脂体11的附近空开间隔的状态。
像在图4例示的那样，在光学传感器3中，发光元件5在第2树脂体13的内部发出光L1。从发光元件5出射的光L1透射第2树脂体13以及第1树脂体11并被物体Bt反射，由此产生反射光L2。反射光L2再次透射第1树脂体11以及第2树脂体13并入射到受光部7。
在物体Bt和光学传感器3尚未接触而在物体Bt与光学传感器3之间存在距离的情况下，反射光L2朝向受光部7扩散。受光元件7a～7d被设计为反射光L2的光点大小的直径Ls比受光部7的彼此相向的受光元件7b～7c之间或7a～7d之间的配置直径Ld大。由此，在物体Bt未与光学传感器3的第1树脂体11接触的情况下，生成示出与第1树脂体11未变形的状态对应的受光结果的受光信号P1。
图5例示了物体Bt与光学传感器3接触并进一步向下方按压的状态。在图5的例子中，光学传感器3的第1树脂体11对应于物体Bt接触而作用的接触力进行变形，向侧方(XY平面方向)扩张。光学传感器3将与这样的变形对应地变化的受光结果作为受光信号P1而输出，由此，除了上述的接近感测以外，还进行感测各种各样的接触力的触觉感测。
图6是示出物体Bt的接近以及接触过程中的、受光部7受光的光量的曲线图。曲线图示出如下情况下的光学传感器3的输出值的变化，即，从与光学传感器3的上表面相距大约13mm的场所起使物体Bt逐渐接近光学传感器3，在与光学传感器3的第1树脂体11的上表面接触之后，仍进一步压入。在图6中，圆圈标记示出对光学传感器3照射的外部干扰光的照度为150lux的状况下的、受光部7受光的光量的变化。此外，×标记示出外部干扰光的照度为3000lux的状况下的、受光部7受光的光量的变化。3000lux是作为增加了外部干扰光的影响的例子而对光学传感器3积极地照射了像荧光灯那样的室内照明的结果。
在图6中，区间La示出在物体Bt接近光学传感器3的过程中从光学传感器3的上方起直到与光学传感器3的第1树脂体11的上表面接触为止。该区间La中的反射光L2的光点大小的直径Ls比受光元件7a～7d的配置直径Ld大。在区间La中，物体Bt越接近光学传感器3，直径Ls变得越小，因此受光元件7a～7d受光的光量越增加。根据这样的光量的变化，控制部19能够推测从光学传感器3到物体Bt的距离。
在实施方式1中，如位置Lb所示，受光元件7a～7d被设计为在物体Bt正好与第1树脂体11的上表面接触时受光元件7a～7d的配置直径Ld和反射光L2的光点大小的直径Ls变得相等。由此，物体Bt正好与光学传感器3接触时，受光部7检测的受光量变得最大。因此，通过检测光量变化的拐点，从而能够检测物体Bt和光学传感器3的接触。
区间Lc示出在物体Bt与第1树脂体11的上表面接触之后直至进一步向下方进行按压的区间。在物体Bt与第1树脂体11的上表面接触之后，物体Bt越按压第1树脂体11，反射光L2的光点大小的直径Ls变得越小于受光元件7a～7d的配置直径Ld，因此检测的光量减少。
像这样，根据第1树脂体11因由物体Bt造成的接触力而变形的状态，反射光L2的受光结果变化，因此，能够根据来自受光部7的受光信号P1进行触觉的感测。例如，通过对受光信号P1进行分析，从而能够进行各种接触力的检测。作为分析方法，能够适当地应用公知技术。此外，外部干扰光的照度为150lux的情况和3000lux的情况下的结果大致一致，由此，表现出实施方式1的光学传感器3是非常不易受到外部干扰光的影响的传感器。
图7是示出物体Bt的反射面为镜面的情况下的、在物体Bt的接近以及接触过程中受光部7的输出的总和的曲线图。通过在物体Bt的反射面设置例如镜面部，从而能够使反射光量的绝对值增加。关于示出四个受光元件7a～7d的输出总和的曲线图Ps1，在物体Bt接近第1树脂体11的上表面的区间La中逐渐增加，在物体Bt正好与第1树脂体11的上表面接触的位置Lb成为拐点，在物体Bt按压第1树脂体11的上表面的区间Lc中逐渐减少。
此外，通过对区间Lc中的光量的减少进行分析，从而由控制部19计算出示出附加于第1树脂体11的荷重的曲线图Fs1。示出荷重的曲线图Fs1在区间Lc中增加。
图8是示出物体Bt的反射面为散射体的情况下的、在物体Bt的接近以及接触过程中受光部7的输出的总和的曲线图。在物体Bt的反射面为散射体的情况下，与镜面的情况相比，反射光量的绝对值小。
在物体Bt接近光学传感器3的区间La中，反射光L2通过物体Bt→空气→第1树脂体11和各个介质。像位置Lb以及区间Lc那样，若物体Bt与光学传感器3接触，则成为物体Bt→第1树脂体11。像这样，在位置Lb以及区间Lc中的光路中空气层消失，因此反射条件变化大，在物体Bt的反射面为散射体的情况下，影响特别大。
此外，在物体Bt压入到第1树脂体11的区间Lc中，在物体Bt的反射面为散射体的情况下，即使物体Bt接近受光部7，反射光的光点大小也不易变小，因此物体Bt越接近受光部7，反射光量越增加。
像以上那样，根据实施方式1的光学传感器3，具备：出射光的发光元件5；对来自发光元件5的出射光进行受光的受光元件7a～7d；覆盖发光元件5以及受光元件7a～7d，使来自发光元件5的出射光透射并出射到外部的第1树脂体11；以及对发光元件5和受光元件7a～7d进行密封的第2树脂体13。在第1树脂体11的内部包含第2树脂体13，第2树脂体13比第1树脂体11硬。根据该结构，对发光元件5以及受光元件7a～7d直接进行密封的第2树脂体13的树脂的硬度高，其周围用作为柔软的树脂的第1树脂体11覆盖。由此，能够降低与外力相伴的应变直接影响到发光元件5以及受光元件7a～7d的情况，能够强化过载耐性而提高耐久性。
此外，第1树脂体11和第2树脂体13各自的主材料为同一类树脂。因为第1树脂体11和第2树脂体13由同一类树脂构成，所以树脂彼此的密接力强，树脂不易因强的外力、反复的外力、环境负载而剥落，因此能够提高长期动作时的可靠性。
此外，第2树脂体13的玻璃化转变温度Tg2比第1树脂体11的玻璃化转变温度Tg1高。由此，对发光元件5以及受光元件7a～7d直接进行密封的第2树脂体13的玻璃化转变温度Tg2高，且其周围用柔软的第1树脂体11进行覆盖，因此能够进行宽的温度范围的荷重的检测。
(其它实施方式)
本发明并不限于上述实施方式，能够像以下那样进行变形而实施。
(1)在上述实施方式中，光学传感器3具备具有波长滤波器功能的第2树脂体13，但是并不限于此。如图9所示，例如，光学传感器3A也可以在受光部7的受光元件7a～7d的受光面设置具有波长滤波器功能的带通滤波器23。带通滤波器23例如是通过蒸镀形成的薄膜。薄膜例如为SiO2或SiN。在带通滤波器23为薄膜的情况下，能够形成相对于发光元件5的峰值波长±60nm程度的精度的带通滤波器23，因此能够使对环境光的耐噪声性更加提高。
(2)在上述实施方式中，第2树脂体13具有波长滤波器性能，但是并不限于此。也可以是，代替第2树脂体13而使第1树脂体11具有波长滤波器性能。
(3)在上述实施方式中，对作为发光部而使用一个发光元件5的例子进行了说明，但是发光元件的个数并不特别限定于一个，也可以采用多个。此外，发光元件5的位置并不限定于中央，能够适当地设定在各种各样的位置。
(4)在图1的例子中，受光元件7b以及7c位于X方向上的发光元件5的两侧。像这样，受光部7的位置并不限于以发光元件5为中心的直线上，能够适当地设定在各种各样的位置。受光部7也可以在发光元件5的周围排列多个受光元件而构成。此外，电可以是，代替多个受光元件，作为发光部而使多个发光元件5从多个位置以时分方式发光，并进行基于光学传感器3的感测。
(5)在上述实施方式中，光学传感器3的第1树脂体11的形状并不限定于旋转体，也可以使用球面等各种曲面来构成。
(6)在上述实施方式中，第2树脂体13的侧部也被第1树脂体11覆盖，但是并不限于此。第2树脂体13的侧部也可以露出在外部。
附图标记说明
1：接近传感器；
3：光学传感器；
5：发光元件；
7：受光部；
7a～7d：受光元件；
9：基板；
11：第1树脂体；
13：第2树脂体；
15：驱动部；
17：放大器电路部；
19：控制部；
Bt：物体。
Claims (7)
1.一种光学传感器，具备：
发光元件，出射光；
受光元件，对来自所述发光元件的出射光进行受光；
第1树脂体，覆盖所述发光元件以及所述受光元件，使来自所述发光元件的出射光透射并出射到外部；以及
第2树脂体，对所述发光元件和所述受光元件进行密封，
在所述第1树脂体的内部包含所述第2树脂体，
所述第2树脂体比所述第1树脂体硬。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，
所述第1树脂体和所述第2树脂体各自的主材料为同一类树脂。
3.根据权利要求2所述的光学传感器，其中，
所述同一类树脂为硅酮类树脂。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学传感器，其中，
所述第2树脂体的硬度为邵氏硬度D20以上且邵氏硬度D80以下。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学传感器，其中，
所述第2树脂体的玻璃化转变温度比所述第1树脂体的玻璃化转变温度高。
6.根据权利要求5所述的光学传感器，其中，
所述第2树脂体的玻璃化转变温度为50℃以上。
7.一种接近传感器，具备：
权利要求1至6中的任一项所述的光学传感器；以及
控制部，基于所述受光元件的信号，对物体的接近以及接触进行检测。
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